我國農宅附加陽光間研究熱點與趨勢分析

王朝紅，楊 陽，姚 勝

(河北工業大學 建筑與藝術設計學院，天津 300130)

隨著國民經濟的快速發展，人們對于生活環境舒適度的要求不斷增強，面對可持續發展的新時代戰略目標，讓人民擁有溫度適宜、空氣清潔、居住健康的家，已經成為實現中國社會和諧發展的重要內容。目前北方地區以化石燃料燃燒為主的住宅取暖方式是促成冬季霧霾天的主要成因[1]，其帶來的環境污染、能源浪費等問題，嚴重降低了人們的生活品質，對人們的身心健康產生了極大的影響。

近年來，被動式附加陽光間太陽房因其具有初期投入低、建設難度小、運行回報率高、適宜在我國北方地區推廣等特點，引起眾多學者的關注。有學者以太陽房采暖為主題進行了綜述研究，2017年鮑玲玲等[2]梳理和介紹了我國農村在太陽房采暖方面的使用現狀、國家的相關政策、太陽房的分類及其具體概念，并總結了相關學者在太陽能采暖關鍵技術方面的研究；2019年韋笑[3]闡述了太陽能輔助供暖技術的相關概念，總結了其發展現狀及關鍵技術的應用實踐現狀?，F有綜述大多以定性分析的方法進行梳理和闡述，受限于研究者文獻閱讀數量及其總結歸納的能力，主觀性較強。

文中針對附加陽光間的設計研究問題，采用定性與定量分析相結合的方法，運用CiteSpace可視化文獻分析軟件對來自中國知網(CNKI)數據庫附加陽光間領域的研究文獻進行可視化定量分析及定性討論，梳理附加陽光間設計的研究現狀，為今后相關研究提供方法和方向參考。

1 研究方法和數據來源

由美國陳超美團隊利用Java編輯環境開發的CiteSpace軟件是在科學計量學、數據可視化背景下逐漸發展起來的一款引文可視化分析軟件。軟件能夠展現出學科主題之間的結構關系，將樣本輸入到CiteSpace軟件中，運算可得到關鍵詞、主題、作者、共被引、突現度等可視化圖譜，幫助研究人員快速理清某一領域的發展歷程，找到該領域內的關鍵文獻和主要研究團隊，分析出研究前沿和發展趨勢，極大地提高文獻調研效率[4]。

本研究以CNKI數據庫中的文獻作為數據源，以附加陽光間、陽光間、被動式太陽房等相關詞匯為主題詞進行初步檢索。文獻時間限定為1983—2020年，檢索結果共獲得1 056篇文獻，進行分析整理并去除重復性文獻、篩選刪減與主題不密切相關的文獻以及會議演講等，最后得出期刊論文、碩博論文共452篇。在此基礎上運用CiteSpace文獻可視化分析軟件進行系統的梳理和總結，根據結果分析與討論，并提出附加陽光間領域未來的研究方向。

2 文獻統計分析

2.1 發文量增長趨勢分析

發文量的變化是相關領域研究進展情況的直觀展現，是衡量該領域研究進展的重要指標[5]。分析圖1發文量的時間分布圖，可以發現附加陽光間研究的態勢總體呈上升趨勢。1999年之前，年發文量均在5篇及以下，這一時間段國內對于附加陽光間的研究還處于起步階段，研究內容集中于附加陽光間的基本概念、構造形式、熱工機理、傳熱過程數學模型搭建、經濟性評價方法、舒適度評價方法等基礎理論的建立方面，總體研究力度較小。2000—2008年這一時間段，附加陽光間的研究處于穩步增長期，太陽房采暖開始受到學者們的關注，有賴于計算機技術的發展，研究者開始通過動態模擬手段結合實測方法分析附加陽光間的節能效果。2009年之后，發文量進入快速增長階段，并于2019年達到峰值，得益于新農村建設、美麗鄉村等國家政策的提出，附加陽光間這一降低農宅能耗的有效手段開始得到廣泛關注，附加陽光間的研究熱度不斷上升，相關研究內容不斷豐富與深入，研究方法也從一開始的定性研究逐步轉換為定性和定量相結合的綜合性研究，越來越多的學者通過動態模擬等方法探索附加陽光間熱環境、節能性、經濟性等方面的優化方法。隨著國家大力實施鄉村振興戰略，鄉村住宅節能將會受到高度重視，而附加陽光間領域的發文量預計在未來也會持續增長。

圖1 附加陽光間領域研究文獻時間分布圖Fig.1 Time distribution diagram of research literature in the field of additional sunspace

2.2 關鍵作者及研究機構分析

分析表1可以得出：附加陽光間研究發文量最多的作者是劉加平，共有18篇，其余發文量較多的作者有楊柳、金國輝、何泉等。從研究作者的中心性數據來看，除中心性為0.1的劉加平外，其余作者的中心性均為0，特性不顯著。從圖2中的圖譜也可以看出，劉加平及相關團隊網絡較為集中，其他網絡較為分散，表明該研究領域已形成幾個核心的研究團隊[6]，但相互間合作關聯性較弱，如劉加平團隊和金國輝團隊各自成一派，尚未形成具有重要影響力的合作網絡。從長期來看，這樣相互獨立的研究不利于附加陽光間研究的長遠發展，因此，加強學術團隊間的合作與深入交流，促進學術研究的長遠發展是十分必要的。

表1 高頻作者及中心性Tab.1 High-frequency authors and centrality

圖2 附加陽光間領域研究文獻發文作者的合作網絡Fig.2 Author cooperation network of literature in the field of additional sunspace

分析表2可知：以西安建筑科技大學為首的北方高校在附加陽光間領域發文量較多，研究成果豐厚，而相關的公司企業、設計院、研究院等機構的研究成果較少，未能達到“產學研”之間的高效合作；因此，在以后的研究過程中，加強高校與企業、研究院(所)間的深入合作交流是十分重要的。

表2 發文數量排名前七的研究機構Tab.2 Top7 institutes in additional sunspace research

2.3 研究熱點分析

關鍵詞可以揭示相關文獻的主要研究內容和核心思想，其共現圖譜可以直觀地呈現該研究領域的熱點。文中通過運用CiteSpace對附加陽光間452篇有關研究性文獻中的關鍵字和頻次進行共現分析，綜合統計出頻次≥4的關鍵詞，得到關鍵詞共現網絡圖譜，如圖3所示。

通過對高頻關鍵詞進行分析，可以發現，附加陽光間領域的研究熱點集中于農村住宅的附加陽光間優化設計及其影響因素，特別是降低農宅能耗、提高其室內熱環境方面的研究尤為受到關注；另外，關于不同地區附加陽光間的適宜性設計研究也是該領域研究的另一個熱點。為了進一步探究附加陽光間的研究熱點，對含圖3中關鍵詞的部分文獻進行了定性分析，具體內容見表3。

圖3 附加陽光間研究關鍵詞共現網絡圖譜Fig.3 Co-appearance network of keywords in additional sunspace

表3 附加陽光間的研究熱點定性分析Tab.3 Qualitative analysis of research hotspots of additional sunspace

3 主要研究內容分析

通過閱讀文獻進行定性分析及運用Citespace進行文獻統計定量分析，可以發現我國附加陽光間領域的研究主要圍繞農宅附加陽光間的優化設計展開。以下主要從附加陽光間的概念內涵與優化設計兩個方面來闡述現階段我國農宅附加陽光間研究的進展。

3.1 相關概念

太陽房一詞源于美國芝加哥，其定義是指主要依靠太陽能采暖的房屋，分為主動式和被動式兩大類：主動式太陽房的采暖方式與利用常規能源房屋的采暖系統基本相同，是以太陽能集熱器作為熱源代替傳統能源進行供暖；而被動式太陽房則是指不依靠任何機械動力，通過建筑圍護結構本身完成吸熱、蓄熱、放熱過程，從而實現利用太陽能采暖目的的房屋。如圖4所示，被動式太陽房主要分為以下3類：

1)直接受益式：直接讓陽光從窗戶照射進來，利用室內墻體、地面等蓄熱，在夜間室內溫度降低時再將熱量釋放出來，從而達到調節室內溫度的作用。

2)集熱蓄熱墻式：利用集熱蓄熱墻吸收并儲存透過玻璃的一部分陽光，另一部分陽光加熱墻體與玻璃之間的空氣，然后將收集到的熱量傳入室內。

3)附加陽光間式：其為直接受益式和集熱蓄熱墻兩種方式的結合[16]。陽光間的基本結構是在建筑主體的南側搭建一座由玻璃材質、金屬框架及蓄熱墻體構成的建筑空間，冬季白天利用附加陽光間接受太陽輻射向室內提供熱量，或通過集熱蓄熱結構將熱量貯存起來在陰雪天或夜晚使用，以達到建筑采暖的目的[17]。

圖4 太陽房集熱原理圖Fig.4 Schematic diagram of solar building heat collection

3.2 優化設計

我國附加陽光間優化設計研究主要針對農村住宅，研究思路主要是基于文獻研究、問卷調查、實地測繪與數據監測建立附加陽光間農宅建筑標準模型，篩選建筑主體與附加陽光間相關設計參數與建筑能耗、預測平均熱感覺指標(predicted mean vote，PMV)、采光系數與投資回收期等評價指標，然后通過數學模型靜態計算或者是軟件動態模擬進行單目標或多目標優化，最終提出適宜的附加陽光間優化設計策略，具體流程如圖5所示。

在附加陽光間相關數學模型靜態計算方面，1980年Balcomb[18-19]創建了附加陽光間式被動房的傳熱過程數學模型，編寫了被動式太陽房設計手冊。90年代初王德芳[20-23]提出了關于附加陽光間和相鄰房間之間通過門洞的自然對流換熱計算公式，采用Carroll的平均輻射溫度網絡法進行室內各表面之間的換熱計算。1991年李元哲等[24]基于Balcomb提出的SLR(solar load ratio)理論，結合我國的建筑特點及國情，提出了多種集熱部件的效率曲線以及太陽房平均室溫預測計算方法，編寫了《被動式太陽能熱工設計手冊》，該書至今仍是我國被動式太陽房設計最為系統和科學的參考資料。

通過數學模型靜態計算分析對附加陽光間進行優化設計的方法，主要出現在該領域研究的早期，通常應用于對附加陽光間的熱工性能進行評估，通過評估結果來篩選合適的設計參數。2008年金虹等[25]通過對吉林地區的傳統農宅進行調研實測，并對“直接受益式+附加陽光間式”組合式太陽房與傳統農宅進行計算比較，結果表明該組合式太陽房能夠達到超過70%的節能率。2013年王登甲等[26]通過對青藏地區某農宅附加陽光間進行實測數據分析，計算出Trombe墻的日平均熱效率能夠達到69.7%、陽光間的節能率為72.8%，分析結果表明該地區Trombe式附加陽光間具有較好的集熱和蓄熱性能。2015年楊艷霞[27]分析了附加陽光間對建筑的熱作用機理，采用動態熱網絡法建立了附加陽光間的熱平衡方程，對遼南地區附加陽光間冬季傳熱過程進行實驗研究，得到適用于遼南地區的附加陽光間對流換熱系數和空氣循環熱流率的計算方法，以及該地區對流換熱系數的經驗值。綜合上述研究可以發現，該優化方法計算速度較快，但計算結果不夠精確，且不能計算全年逐時能耗，只適用于粗略定性分析及簡單的優化選型。

動態模擬優化是一種計算機技術與各建筑專業技術相結合的數字模擬技術，是目前較為主流的優化方法，其優勢在于：1)能夠根據氣象數據、室內人員情況等信息得出逐時建筑能耗，其結果相較于數學模型靜態計算更加準確[16]。2)能夠靈活調整各設計參量取值，更有利于附加陽光間優化設計。3)能夠搭載優化算法進行多目標優化。該方法適用于經過較為準確的模型信息調研基礎之上的模擬研究，模型參數的準確性很大程度地影響了動態模擬的準確性。目前，我國關于附加陽光間優化設計的動態模擬分析通常是運用DOE-2、TRNSYS、DeST、EnergyPlus、DesignBuilder等動態模擬軟件進行單一優化目標的模擬分析，得出相應的優化策略。吳皓俊[28]利用DeST-h對基于北京地區農村節能住宅實測數據建立的被動式太陽房預測模型與傳統農宅模型進行模擬分析，結果表明太陽房采暖的節能率達到了69%。李棟等[11]運用EnergyPlus動態模擬軟件分析附加陽光間對東北嚴寒地區農宅冬季采暖能耗的影響，并通過模擬分析得出附加陽光間使用雙層中空玻璃時中空層填充9 mm氪氣的節能效果最好。王芳等[29]為提高迪慶藏區農宅的冬季熱環境，通過實測數據分析及DesignBuilder模擬優化，提出對該地區附加陽光間具有針對性的量化提升策略。

圖5 附加陽光間優化設計流程圖Fig.5 Flow chart of additional sunspace optimal design

3.2.1設計參數

附加陽光間的主要設計參數分為附加陽光間本體參數以及建筑主體參數兩個方面(見圖6)。附加陽光間本體參數主要包括陽光間形式、保溫設計、窗體材質、進深、窗墻比、屋頂材料、入口位置、遮陽設置等，建筑主體參數包括建筑主體的朝向、院落布局、體形系數、墻體圍護結構、屋頂結構、窗墻比等。這些因素都會對農宅的室內熱環境、光環境、全年能耗等產生一定的影響。

圖6 附加陽光間設計參數Fig.6 Design parameters of additional sunspace

3.2.2評價指標

圖7 附加陽光間評價指標Fig.7 Evaluation indexes of additional sunspace

目標優化。以上研究進一步表明，對建筑能耗和人居環境舒適度產生影響的因素有很多，并且在附加陽光間設計和推廣過程中經濟性因素也是非常重要的一環。各因素可能存在相互作用、相互影響的情況，僅通過單目標的計算或模擬分析不一定能得出最適宜的優化策略，對于附加陽光間各影響因素的綜合優化研究還有待學者們更近一步的探索。

3.2.3優化策略

目前，關于附加陽光間優化策略的研究著重圍繞降低建筑能耗、改善建筑熱環境開展，同時，部分研究也綜合考慮能效、經濟性等因素。

李恩等[16]通過現場實測方法，基于拉薩市集合式住宅建筑的熱環境測試資料建立了熱工模擬計算數據分析模型，確定了影響住宅冬季采暖能耗的各種被動式建筑設計因素，其中包含空間布局、開間進深組合設計，圍護結構的熱工設計(如外窗材質、圍護結構保溫性能等)。呂環宇[31]針對我國寒地村鎮住宅建筑進行了實地調查和研究總結，并在嚴寒地區進行了寒地實驗農宅的設計、建造、試驗與計算分析，研究了附加陽光間對于我國寒地農宅熱環境的影響，并提出了相應的優化策略。鄒廣宇[32]對東北嚴寒地區附加陽光間被動式太陽房最能影響室內熱舒適性及室內溫度的因素進行研究，通過實地調研建立了東北地區村鎮典型住宅模型，運用DeST-h模擬軟件進行單一變量分析，并提出了相應的優化設計策略。劉闊[33]以河北石家莊地區的村鎮住宅為主要研究對象，基于現場調研建立了河北地區典型農宅模型，通過定量計算提出適宜的優化策略，并進行了冬季輔助熱源的經濟性評價，進而為該地區今后的太陽能建筑設計及建造提供依據。黨琦[34]探討了包頭市附加陽光間各影響因素變化對農宅全年采暖能耗以及主臥室采光系數的影響規律，并通過對附加陽光間的經濟性及節能性指標進行分析，給出了符合當地農民自身經濟條件的陽光間建造方案。相關學者針對農宅附加陽光間優化設計提出的具體策略如圖8、表4所示。

圖8 農宅附加陽光間設計策略示意圖Fig.8 Schematic diagram of design strategy of additional sunspace for rural housing

表4 農宅附加陽光間設計策略Tab.4 Design strategy of additional sunspace for rural housing

4 問題與展望

通過對文獻的閱讀和整理，可以發現我國在農宅附加陽光間優化領域的研究頗多，在附加陽光間冬季熱工性能以及熱環境優化方面的研究正逐步走向成熟，尤其是針對不同地域附加陽光間的優化，不同學者給出了不同的優化策略，主要研究地區集中在新疆、拉薩、西北等太陽輻射資源豐富的地區，以及有較好太陽輻射資源且附加陽光間能在冬季有較好節能效果的其他嚴寒、寒冷地區；但目前對于我國附加陽光間的優化設計研究還存在以下問題：

1)針對冬季采暖耗能及熱舒適度優化的研究較多，但在農宅附加陽光間夏季遮陽及耗能方面的優化研究較少，欠缺整體地考慮農宅陽光間全年的舒適度及節能問題。

2)大部分研究只分析了附加陽光間對建筑能耗的影響，較少的研究能夠考慮到附加陽光間對建筑主體采光的影響以及給出相應的優化策略。

3)我國基于優化算法的農宅附加陽光間的多目標優化設計研究還較為欠缺，對于綜合考量各評價指標間相互影響作用的最佳優化策略研究還有待開展。

4)對于優化后的附加陽光間缺乏實際能耗數據的監測，大多數預測模型未得到驗證。

5)我國現有附加陽光間研究集中于設計策略及性能研究，尚未與企業生產以及使用者實際需求相結合，設計生產目前未能實現規?；?、標準化生產與經營?，F有附加陽光間產品的質量參差不齊，對附加陽光間的推廣與普及造成較大的阻礙，這在一定程度上影響了附加陽光間的發展。

在當今全球都在尋求可持續發展的背景之下，利用新能源來降低建筑能耗的研究具有光明的前景。我國地域遼闊，太陽能資源豐富，發展太陽能與農村住宅相結合的被動式附加陽光間技術，能夠推進農村建筑節能的腳步，對我國農村清潔取暖工程意義重大，也將為我國2030年碳達峰、2060年碳中和目標發揮應有的作用。